Внутренняя рыба

В середине XIX века анатомы впервые познакомились с загадочными рыбами, живущими на южных материках. Одна из первых таких рыб была открыта немецкими учеными, работавшими в Южной Америке. Она похожа на обычную рыбу с плавниками и чешуей, но глубже глотки у нее имеются два больших сосудистых мешка — легкие! И все же у этого существа есть чешуя и плавники. Первооткрыватели этого животного были столь озадачены, что дали ему название Lepidosiren paradoxa, что означает «парадоксальное чешуйчатое земноводное». Другие рыбы, тоже, как и лепидосирен, наделенные легкими, были вскоре обнаружены в Африке и в Австралии. Они получили название двоякодышащих. Исследователи Африки привезли одну такую рыбу Оуэну. Некоторые ученые, например Томас Гексли и Карл Гегенбаур, находили, что эти рыбы представляют собой что-то вроде гибрида между амфибией и рыбой. Местные жители считали их вкусными.

Схема строения скелетной основы плавников этих рыб, в которой на первый взгляд нет ничего особенного, сыграла в науке немалую роль. В основании их плавников находится всего одна кость, которая крепится к лопатке. Для любого анатома сходство с наземными позвоночными очевидно. У нас тоже есть всего одна плечевая кость, которая крепится к лопатке. Стало быть, двоякодышащие — это рыбы, у которых есть плечевая кость. Примечательно, что эти рыбы, кроме того, обладают легкими. Что это, простое совпадение?

Когда горстка живущих в наши дни видов этой группы стала известна науке XIX века, в распоряжение ученых стали поступать и свидетельства иного рода. Как вы уже, наверное, догадались, речь идет об ископаемых древних рыбах.

Одна из первых таких рыб была обнаружена на берегах полуострова Гаспе в Квебеке (Канада) в породе возрастом около 380 миллионов лет. Этой рыбе дали название Eusthenopteron. У эустеноптерона наблюдалась удивительная смесь признаков рыб и земноводных. Из описанных Оуэном костей конечности (кость — две кости — много косточек — пальцы) плавники эустеноптерона содержали первые два элемента (кость — две кости). Стало быть, у некоторых рыб плавники были устроены подобно конечностям позвоночных. Оуэновский архетип не был извечным божественным свойством жизни. Он развился постепенно, и следы его развития сохранились в породах девонского периода, которые образовались в промежутке между 390 и 360 миллионами лет назад. Это важное открытие определяло новую программу для дальнейших исследований: где-то в породах девонского периода нужно искать свидетельства возникновения пальцев.

В двадцатые годы XX века ископаемые принесли новые сюрпризы. Молодому шведскому палеонтологу Гуннару Саве-Содербергу посчастливилось исследовать восточное побережье Гренландии. В то время там была совершенная terra incognita, но Саве-Содерберг установил, что эта территория необычайно богата девонскими отложениями. Он был одним из немногих палеонтологов-полевиков того времени и благодаря неутомимому духу исследователя и исключительному вниманию к деталям смог добыть за свою недолгую жизнь немало ценных для науки ископаемых. (К сожалению, его жизнь трагически оборвалась: он умер молодым от туберкулеза вскоре после того, как его экспедиции принесли науке ряд поразительных открытий.) В ходе экспедиций, предпринятых в период с 1929 по 1934 год, команда Саве-Содерберга открыла ископаемых, которые в те времена прославились как одно из важнейших недостающих звеньев палеонтологической летописи. Об этом открытии писали газеты всего мира, его высмеивали в карикатурах и обсуждали его важность в редакционных статьях.

У большинства рыб (например, у рыбы-зебры вверху) плавники окружены перепонкой а в их основании находится много косточек. Двоякодышащие рыбы (вторая сверху) привлекли внимание ученых тем что у них как и у нас в основании конечности располагается одна кость. Эустеноптерон (второй снизу) показал как заполнялся промежуток между рыбами и наземными животными: у него уже имеются кости подобные нашему плечу и предплечью, Акантостега (внизу) повторяет структуру конечности эустеноптерона за тем исключением, что у нее уже наличествуют полностью сформированные фаланги пальцев.

Открытые группой Саве-Содерберга ископаемые обладали настоящим калейдоскопом признаков — голова и хвост напоминали рыбьи, но конечности были вполне сформированные, как у наземного позвоночного (с развитыми пальцами), а позвонки необычайно похожи на позвонки земноводных. После смерти Саве-Содерберга его друг и коллега Эрик Ярвик описал этих ископаемых, и одно из них получило название Ichthyostega soderberghi (ихтиостега Содерберга) в честь Гуннара Саве-Содерберга.

К сожалению, ихтиостега не сильно помогла решению нашей проблемы. По ряду черт строения головы и позвоночника она и правда была весьма примечательной промежуточной формой, но мало говорила о происхождении конечностей, потому что у нее уже были пальцы на ногах, как у всех настоящих амфибий (земноводных). Несколько десятилетий спустя другое открытое Саве-Содербергом ископаемое, которому, когда о нем было объявлено, не уделили особого внимания, позволило сильно продвинуться в решении вопроса о происхождении конечностей наземных позвоночных. Этому второму ископаемому суждено было оставаться загадкой до 1988 года, когда моя коллега-палеонтолог Дженни Клэк, представленная читателям в первой главе, вернулась на исследованные Саве-Содербергом местонахождения и обнаружила там новые остатки этого древнего существа. Это животное было описано по добытым шведским ученым фрагментам еще в двадцатые годы и получило название Acanthostega gunnari (акантостега Гуннара). Новые находки позволили выяснить, что у акантостеги тоже были полноценные конечности с развитыми пальцами. Но один из ее признаков оказался настоящим сюрпризом: Дженни Клэк установила, что конечность акантостеги имела форму плавника, подобного ластам тюленя. Исходя из этого Дженни предположила, что древнейшие конечности наземных позвоночных возникли как орган для плавания, а не для передвижения по суше. Эта идея была ощутимым прорывом, но по-прежнему оставался без ответа вопрос, как именно возникли конечности, ведь у акантостеги были вполне сформированные пальцы, а также запястье и лодыжка и не было свойственной рыбьим плавникам перепонки. Конечности акантостеги были полноценными конечностями наземного позвоночного, хотя и весьма примитивного. Чтобы узнать, как возникли кисти рук и ступни ног, запястье и лодыжка, нужно было искать более древних ископаемых. Так обстояли дела вплоть до 1995 года.

Открытие пальцев и запястий рыб

Как-то раз в 1995 году мы с Тедом Дешлером вернулись домой в Филадельфию, после того как проехали по всей центральной Пенсильвании в поисках новых дорожно-строительных работ. Мы нашли чудесный участок выемки грунта на 15-й трассе к северу от Уильямсфорта, где департаментом транспорта был сотворен гигантский обрыв из песчаника возрастом около 365 миллионов лет. Песчаник здесь взрывали динамитом, и вдоль дороги были оставлены груды больших камней. Это было идеальное место для охоты на ископаемых. Мы вышли из машины и стали ползать по камням, многие из которых были размером с небольшую микроволновую печь. На поверхности некоторых из них попадалась рыбья чешуя, и мы решили захватить несколько таких камней с собой в Филадельфию. Когда мы приехали к Теду домой, его четырехлетняя дочка Дейзи выбежала встречать папу и спросила, что мы нашли.

Показывая Дейзи один из камней, мы внезапно осознали, что из него выступает фрагмент плавника крупной рыбы. В поле мы этого почему-то не заметили. Вскоре нам предстояло узнать, что это не обычный рыбий плавник: внутри его было немало костей.

Наш несравненный плавник. К сожалению, нам удалось найти только этот отдельный образец. Рисунок вверху воспроизведен с разрешения Скотта Ролинса (Университет Аркадия). Фото автора.

Препараторы в лаборатории потратили около месяца на извлечение скелета этого плавника из камня, и когда он был извлечен, взорам людей впервые предстали остатки скелета рыбы, соответствующие схеме Оуэна. Ближе всего к туловищу располагалась одна кость. К ней крепились еще две. От них отходили шесть рядов небольших костей. По всем признакам это была рыба, наделенная пальцами.

Плавник этой рыбы обладал полноценной перепонкой, его основание было покрыто чешуей, а лопатка относилась к рыбьему типу, но в глубине плавника находились кости, во многом соответствующие костям «стандартной» конечности наземного позвоночного. К сожалению, в нашем распоряжении был лишь отдельный плавник. Теперь нам надо было найти место, где можно было обнаружить полные скелеты таких существ. Единственный отдельный плавник никогда бы не позволил нам ответить на главные вопросы — как это существо пользовалось своими плавниками и были ли в его плавниках суставы, соответствующие нашим и работающие по тому же принципу. Ответ можно было найти, только добыв целый скелет.

На его поиск ушло почти десять лет. И не мне первому посчастливилось увидеть его. Первыми были два препаратора ископаемых, Фред Маллисон и Боб Машек. Препараторы у нас занимаются тем, что с помощью зубоврачебного оборудования удаляют фрагменты породы с собранных нами в поле образцов, тем самым извлекая на свет заключенные в толще породы ископаемые остатки. Препаратору требуются месяцы, а иногда и годы на то, чтобы превратить большой камень, содержащий ископаемые остатки, в красивый образец, доступный для изучения.

В ходе экспедиции 2004 года мы собрали на острове Элсмир три крупных куска породы девонского периода размером с большой предмет ручной клади. В каждом из них были остатки животного с плоской головой: те, что я обнаружил подо льдом на дне карьера, экземпляр Стива и еще один экземпляр, найденный нами в последнюю неделю экспедиции. В полевых условиях мы очистили головы этих ископаемых и извлекли окружавшие их крупные куски породы, чтобы в лабораторных условиях исследовать строение тела этих существ. Затем образцы были упакованы в гипс для транспортировки. Когда в лаборатории с образцов снимают гипс, это похоже на вскрытие капсулы с посланием из прошлого.